抗生素亚胺培南探针分子设计及传感性能研究.pdf

文章编号：2096 2983(2024)02 0055 07DOI:10.13258/ki.nmme.20230320001引文格式:朱彦西，陈爱英，毛燕飞抗生素亚胺培南探针分子设计及传感性能研究J有色金属材料与工程，2024，45（2）：55-61DOI：10.13258/ki.nmme.20230320001 ZHU Yanxi,CHEN Aiying,MAO YanfeiDesign and sensing property of probemolecular for imipenem antibioticJNonferrous Metal Materials and Engineering,2024,45（2）：55-61抗生素亚胺培南探针分子设计及传感性能研究朱彦西1，陈爱英1，毛燕飞2（1.上海理工大学 材料与化学学院,上海 200093；2.上海交通大学医学院附属新华医院麻醉与重症医学科,上海 200092）F/F0=0.9834.23 103摘要：抗生素亚胺培南（imipenem，IPM）用药治疗败血症患者感染需要快速做出反应，目前的血药监测方法严重延迟药物注射。设计金属元素掺杂型石墨烯量子点（graphene quantum dots，GQDs），可实现荧光法快速测定 IPM 和开辟荧光法检测抗生素的新途径。采用水热法制备了铁掺杂 GQDs（Fe-GQDs），用于快速探测 IPM。采用透射电子显微镜（transmission electronmicroscopy，TEM）、X 射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）以及荧光光谱等方法，探讨不同铁源起始剂对 GQDs 荧光性能及传感性能的影响，并分析了乙酸铁为铁源制备的 Fe-GQDs 的微观结构及荧光性能。结果表明：以乙酸铁为起始剂制备的 Fe-GQDs 荧光性能最佳，且对 IPM 具有显著的荧光淬灭效应。所制备的 Fe-GQDs 荧光淬灭强度（F/F0）与 IPM 浓度（concentration，C）呈线性关系，线性方程为C，线性相关系数（R2）为0.997，线性范围为 0.0070.073 g/L。Fe-GQDs 探针分子对血浆中常见有机分子和金属离子具有良好的抗干扰性，检测 IPM 误差为 1.6%4.6%。关键词：石墨烯量子点；掺杂；抗生素；荧光性能；传感特性中图分类号：O 657.3；R 313；TQ 138.1 文献标志码：ADesign and sensing property of probe molecular for imipenemantibioticZHU Yanxi1，CHEN Aiying1，MAO Yanfei2(1.School of Materials and Chemistry,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Department of Anesthesiology and Surgical Intensive Care Unit,Xinhua Hospital Affiliated to Shanghai Jiao TongUniversity School of Medicine,Shanghai,200092,China)Abstract:Medication management of antibiotic imipenem(IPM)in the treatment of sepsis infectionrequires rapid response,however,the current monitoring methods of blood drugs severely delay druginjection.The aim of this work is to design metal element doped graphene quantum dots(GQDs),which有 色 金 属 材 料 与 工 程第 45 卷 第 2 期NONFERROUS METAL MATERIALS AND ENGINEERINGVol.45 No.2 2024收稿日期：20230320基金项目：国家自然科学基金资助项目（5177121）第一作者：朱彦西(1998)，女，硕士研究生。研究方向：碳量子点及生物传感器。E-mail：通信作者：陈爱英(1973)，女，教授。研究方向：纳米功能材料。E-mail：毛燕飞(1979)，男，主任医师。研究方向：脓毒症的临床与基础研究。E-mail：F/F0=0.9834.23103Ccan rapidly detect IPM by fluorescence method,opening up a new way for fluorescence detection ofantibiotics.Iron doped GQDs(Fe-GQDs)were prepared by hydrothermal method for rapid detection ofIPM.The effects of different precursors of iron sources on the fluorescence and sensing performance ofGQDs were investigated using transmission electron microscopy (TEM),X-ray photoelectronspectroscopy(XPS),fluorescence spectroscopy,etc.The microstructure and fluorescence properties ofFe-GQDs prepared with iron acetate were analyzed.The results showed that Fe-GQDs prepared withiron acetate as the precursor exhibited the best fluorescence performance and a significant fluorescencequenching effect on IPM.The fluorescence quenching intensity(F/F0)of the as-prepared Fe-GQDs waslinearly related to the concentration(C)of IPM,where the linear equation was with a linear correlation coefficient(R2)of 0.997 and a linear range of 0.007-0.073 g/L.The Fe-GQDsprobe molecules delivered a good anti-interference performance against common organic molecules andmetal ions in plasma with a detection error of 1.6%-4.6%for sensing IPM.Keywords:graphene quantum dots;doping;antibiotics;fluorescence performance;sensingproperty 石墨烯量子点（graphene quantum dots,GQDs）作为粒径小于 10 nm 的新型零维纳米材料，具有制备简单、生物相容性好、表面基团易于功能化、荧光特性优良1等特点，使其在分析检测2-3、生物成像4-5、光电器件等方面表现出良好的应用前景。众多的研究表明元素掺杂可有效提高 GQDs的荧光性能，如氮6、银7、锰8等，同时赋予 GQDs在荧光检测9方面的灵敏性和特异性。亚胺培南（imipenem,IPM）作为临床抗生素的典型药物之一，常作为败血症患者因革兰阳性菌、阴性菌、厌氧菌所致的呼吸道感染、泌尿系统和腹腔感染等的治疗用药10。在制药和生物系统中测定 IPM 的方法很多，包括高效液相色谱法（highperformance liquid chromatography,HPLC）11、液相色谱质谱联用（liquid chromatography mass spectrometry,LC-MS）12等，但都存在检测时间长、操作复杂等缺点。延迟用药管理可导致过度用药或疗效不佳，进而影响患者生命。因而，发展简单快速检测 IPM 方法具有重要的临床意义。目前，少见报导荧光法检测 IPM，这是由于缺少特异性的 IPM 探针分子所致。本文设计了一种铁掺杂 GQDs（Fe-GQDs），其对 IPM 表现出特异性荧光猝灭性能。作为 IPM 的传感探针分子，具有突出的选择性和灵敏度。相比于 HPLC 等方法，Fe-GQDs 荧光分子探测 IPM 方便快捷，从取血样到检测完毕可在 5 min 完成。该探针能够快速检测 IPM，为抗生素药物检测提供了新方向。1 实验 1.1 主要试剂与仪器氧化石墨烯（graphene oxide，GO）购置于苏州恒球科技公司，质量分数为 30%的 H2O2、葡萄糖、甘氨酸、尿酸、尿素、抗坏血酸、KCl、NaCl、无水 CaCl2、MgCl2、ZnCl2购置于国药集团化学试剂有限公司；乙酸铁、卟啉铁、柠檬酸铁、硝酸铁、间苯二胺（m-phenylenediamine，MPD），购置于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；磷酸盐缓冲液（0.01 mol/L，pH=7.4）购自武汉赛维尔生物科技有限公司；实验室用水为超纯水。利用 RF-5301PC 荧光分光光度计测量荧光光谱、紫外可见吸收光谱由 Perkin ElmerLambda 750S 紫外可见分光光度计测试、拉曼光谱由 Horiba Jobin Yvon HR800 拉曼光谱仪测试；微观形貌利用 PhilipsFEI TECNAI F30 透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）观察；表面形貌用 Bruker Dimension Icon 原子力显微镜（atomicforce microscopy，AFM）表征；X 射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）用 ESCALAB250XI 测试分析。1.2 Fe-GQDs 制备在 10 mL 的 GO 水溶液中加入 15 mg 乙酸铁和 1 mL 30%H2O2溶液，经过超声分散均匀后，放入聚四氟乙烯反应釜中 180 反应 8 h，得到溶液 A。然后将反应好的溶液 A 按体积比为 15 的比例用超纯水稀释后，再取 10 mL，加入 20 mg 的 MPD，溶56有 色 金 属 材 料 与 工 程2024 年 第 45 卷解后，转入聚四氟乙烯反应釜中 180 反应 12 h。取上清液过滤，得到 Fe-GQDs 溶液。同理，以卟啉铁、柠檬酸铁、硝酸铁为铁源替换乙酸铁，重复实验步 骤，分 别 得 到 的 FB-GQDs、FN-GQDs 和 FX-GQDs。1.3 亚胺培南的检测采用 PBS 缓冲溶液按体积比为 15 的比例稀释掺杂型 GQDs 溶液。在室温下，激发波长为 342 nm，发射波长为 434 nm，测量荧光光谱的初始荧光强度（F0）。在相同的条件下，分别滴入配置的一系列不同 浓 度（concentration，C）的 IPM 标 准 溶 液（00.13 g/L），并分别测量其荧光强度（fluorescenceintensity，F），得到 IPM 的线性标准曲线。2 结果与讨论 2.1 不同铁源制备的 GQDs 的荧光性能不同铁源（乙酸铁、卟啉铁、柠檬酸铁、硝酸铁）制备 Fe-GQDs、FB-GQDs、FN-GQDs、FX-GQDs 的荧光光谱图见图 1。其中以乙酸铁为铁源合成的 Fe-GQDs 的 F 最强。所合成的 GQDs 均为淡黄色溶液，在紫外光照射下，发射强蓝色荧光，见表 1 所示。采用同条件下在 GQDs 中加入浓度为 0.02 g/L的 IPM 来测定 F，分析不同铁源的 GQDs 对 IPM 荧光淬灭现象。结果表明，以乙酸铁为铁源合成的 Fe-GQDs 荧光性能最佳，淬灭强度（F/F0）最为明显为0.898 4，表明其对 IPM 灵敏度最佳。其中，3 种铁基有机化合物中，卟啉铁与铁的络合效应最强，其次是柠檬酸铁和乙酸铁。因此，乙酸铁中铁离子可能更易与 GO 形成新的络合物，制备的 Fe-GQDs 荧光性能最佳，对 IPM 表现出显著荧光淬灭效应。而无机盐硝酸铁可能因其氧化性太强，导致其 F 下降，具体机制尚需进一步研究。800Fe-GQDs600600500波长/nm400400强度/a.u.2003000FN-GQDsFX-GQDsFB-GQDs 图 1 不同铁源合成的 GQDs 的荧光光谱图Fig.1 Fluorescence performances of GQDs synthesizedfrom different iron sources 表 1 不同铁源合成的 GQDs 对 IPM 的灵敏度Tab.1 Sensitivity of GQDs synthesized from different iron sources to IPM GQDsFe-GQDsFB-GQDsFN-GQDsFX-GQDs铁源乙酸铁卟啉铁柠檬酸铁硝酸铁灵敏度F/F00.898 40.963 90.918 30.929 4日光和荧光图 2.2 Fe-GQDs 的表征Fe-GQDs 样品的 UV-Vis 和荧光光谱谱图见图 2（a）。在 UV-Vis 中，290 nm 出现的强吸收峰可归因于 CO 键的 *跃迁13，而 360 nm 处有一个弱吸收峰，是 GQDs 中 CN 键的 n *跃迁导致14。根据 Fe-GQDs 的荧光激发光谱和发射光谱得出，最大激发波长为 342 nm，最大发射波长为434 nm。Fe-GQDs 的 Raman 光谱图见图 2（b），分别在 1 355 cm1（D 峰）和 1 566 cm1（G 峰）处有两个峰。其中，D 峰代表的是 C 原子晶格缺陷，G 峰代表 C 原子 sp2杂化面的伸缩振动。拉曼光谱表明两步水热法合成的 GQDs 含有大量缺陷结构。图 3（a）和（b）给出 Fe-GQDs 的形貌，可以发现合成的 Fe-GQDs 呈球形，晶格间距为 0.33 nm，对应石墨的（002）平面间距15。而 Fe-GQDs 的 AFM图（见图 3c 和 d）给出了同样的球形形貌，颗粒厚度在 0.21.7 nm 范围内，对应于 16 个石墨烯层。使用 XPS 对 Fe-GQDs 的化学状态进行表征。图 4（a）为 XPS 全谱图，在 284.8、399.5、532.4 eV 有强峰，分别对应 C 1s、N 1s、O 1s。图 4（b）为 Fe-第 2 期朱彦西，等：抗生素亚胺培南探针分子设计及传感性能研究57GQDs 的 C 1s 谱，可以拟合成两个化学键，其中284.9 eV 峰 为 C C/C O 键16，286.1 eV 峰 为CO 键17。N 1s 的光谱图中于 399.1、401.5 eV 处有两个明显的峰（见图 4c），分别为吡啶氮和石墨氮18-19。此外，图4（d）中的O 1s 于532.2 eV 出现峰，归因于CO键20。XPS 全谱中 Fe 的信号很微弱，在 842.1 eV 处。3210300290 nm360 nmEXEM4005006006009008001 2001 2001 6001 6002 000吸光度/a.u.波长/nm(b)拉曼光谱Fe-GQDsFe-GQDsD 峰G 峰强度/a.u.(a)紫外可见光谱 拉曼频移/cm1 图 2 Fe-GQDs 的紫外吸收光谱图和拉曼光谱图Fig.2 UV-Vis absorption spectra and Raman spectra of Fe-GQDs 20 nm500 nmAB0.33 nm0.33 nm5 nm1.61.20.8(a)TEM(c)AFM(d)为(c)中 A 到 B 形貌轮廓(b)HRTEM厚度/nm长度/nm0.40050100150200 图 3 Fe-GQDs 的形貌及微观结构图Fig.3 Morphology and microstructure of Fe-GQDs58有 色 金 属 材 料 与 工 程2024 年 第 45 卷 2.3 IPM 检测为了考察 Fe-GQDs 检测 IPM 的准确性和灵敏度，将不同浓度 IPM（00.13 g/L）加入 Fe-GQDs 溶液，如图 5（a）、（b）所示。随着 IPM 浓度增加，F 保持下降趋势，IPM 浓度及 Fe-GQDs 的 F 变化呈线性关F/F0=0.9834.23103系，线性回归方程为C，线性相关系数 R2为 0.997，线性浓度范围为 0.0070.073g/L，检测限为 0.005 g/L。荧光分子探针的荧光检测可在 1 min 内响应，且 F 在10 min 内保持稳定。1 0001.00.90.8F/F0F/F0F/F0=0.9834.23103CR2=0.9970.70.60.5800434 nm0 gL1IPM 浓度/(gL1)0.13 gL1IPM600400400500600波长/nm(a)荧光光谱随 IPM 浓度变化 (c)有机物干扰(d)离子干扰(b)线性关系70000.020.040.060.080.100.123002001.20.80.40F/F01.20.80.40空白空白K+Mg2+Na+ClZn2+甘氨酸抗坏血酸L-半胱氨酸尿素尿酸葡萄糖0强度/a.u.Fe-GQDs+干扰物Fe-GQDs+干扰物+IPMFe-GQDs+干扰物Fe-GQDs+干扰物+IPM 1 2001 000Fe 2sO 1sN 1sC 1s800(a)全谱(c)N 1s(d)O 1s(b)C 1s4054023993965405365325286004002002962922882842800结合能/eV结合能/eV结合能/eV结合能/eV原始教据拟合线背景CC/CO(284.9 eV)CO(286.1 eV)原始教据拟合线背景吡啶氮(399.1 eV)石墨氮(401.5 eV)原始教据拟合线背景CO(532.2 eV)强度强度强度强度 图 4 Fe-GQDs 的 XPS 谱图Fig.4 XPS spectra of Fe-GQDs第 2 期朱彦西，等：抗生素亚胺培南探针分子设计及传感性能研究591 0001.00.90.8F/F0F/F0F/F0=0.9834.23103CR2=0.9970.70.60.5800434 nm0 gL1IPM 浓度/(gL1)0.13 gL1IPM600400400500600波长/nm(a)荧光光谱随 IPM 浓度变化 (c)有机物干扰(d)离子干扰(b)线性关系70000.020.040.060.080.100.123002001.20.80.40F/F01.20.80.40空白空白K+Mg2+Na+ClZn2+甘氨酸抗坏血酸L-半胱氨酸尿素尿酸葡萄糖0强度/a.u.Fe-GQDs+干扰物Fe-GQDs+干扰物+IPMFe-GQDs+干扰物Fe-GQDs+干扰物+IPM 图 5 Fe-GQDs 对 IPM 的干扰性能Fig.5 Selectivity testing of Fe-GQDs to IPM 为了评估 Fe-GQDs 探针对 IPM 的选择性，分别加入有机分子和金属离子，例如甘氨酸、抗坏血酸、L-半胱氨酸、尿酸、尿素、葡萄糖、Ca2+、K+、Mg2+、Na+、CI、Zn2+。干扰物浓度为 0.02 g/L，进行选择性试验。如图 5（c）和（d）所示，Fe-GQDs 仅被 IPM 猝灭，其他有机物和金属离子对荧光猝灭的影响可以忽略不计，荧光淬灭比值（F/F0）基本保持不变，检测IPM 误 差 为 1.6%4.6%。这 些 结 果 证 实 了 Fe-GQDs 对 IPM 有优异的选择性。3 结论F/F0=0.9834.23 103合成了掺杂铁的石墨烯量子点作为探针分子，用于检测 IPM。通过优化不同铁源，得到以乙酸铁为 铁 源 合 成 的 Fe-GQDs 探 针 在 荧 光 性 能 和 对IPM 检测性能方面均为最佳。Fe-GQDs 对 IPM 具有灵敏检测性能，在 0.0070.073 g/L 的范围内线性良好，线性方程为C，线性相关系数 R2为 0.997。Fe-GQDs 探针分子对血浆中常见有机分子和金属离子具有良好的抗干扰性，检测 IPM 误差为 1.6%4.6%。Fe-GQDs 的荧光光谱检测可在 1 min 内测定完成，可实现快速检测IPM。参考文献：GE J,MA D M,DUAN G H,et al.A novel probe fortetracyclines detection and its applications in cell 1 imaging based on fluorescent WS2 quantum dotsJ.Analytica Chimica Acta,2022,1221:340130.李文博,江鸿.石墨烯结构型氨气传感器研究进展 J.有色金属材料与工程,2022,43(5):2835.2 李港,胡玉峰.石墨烯碳量子点用于氟喹诺酮类抗生素的荧光检测 J.应用化工,2023,52(1):309313.3 WEI Y Y,CHEN L,WANG J L,et al.Rapid synthesisof B-N co-doped yellow emissive carbon quantum dotsfor cellular imagingJ.Optical Materials,2020,100:109647.4 YANG J,YANG Y H,SU L J,et al.Diethylenetriamine-CD-modified carbon quantum dots for selectivefluorescence sensing of Hg2+and Fe3+and cellularimagingJ.Spectrochimica Acta Part A:Molecular andBiomolecular Spectroscopy,2023,291:122364.5 ZHANG Q C,TIAN F L,MENG F F,et al.Nitrogen-doped quantum dots as high-efficiency nanoprobes forvanillin detection in complex samples and cell imagingapplicationsJ.Optical Materials,2022,131:112743.6 徐丹,DJIMA H A,李瑞怡,等.银铜双金属/组氨酸功能化石墨烯量子点/石墨烯杂化物的制备及其在电化学法测定黄瓜中毒死蜱、克百威和多菌灵上的应用 J.理化检验-化学分册,2022,58(9):10631070.7 LI B Y,XIAO X,HU M L,et al.Mn,B,N co-dopedgraphene quantum dots for fluorescence sensing andbiological imagingJ.Arabian Journal of Chemistry,2022,15(7):103856.8 樊雪梅,刘衍丹,范新会,等.氮硫共掺杂石墨烯量子点荧光探针检测博莱霉素 J.分析试验室,2022,41(9):10291033.9 HAGHI F,NEZHAD B B,ZEIGHAMI H.Effect of1060有 色 金 属 材 料 与 工 程2024 年 第 45 卷subinhibitory concentrations of imipenem andpiperacillin on Pseudomonas aeruginosa toxA and exoStranscriptional expressionJ.New Microbes and NewInfections,2019,32:100608.CARO Y S,CMARA M S,DE ZAN M M.A reviewof bioanalytical methods for the therapeutic drugmonitoring of -lactam antibiotics in critically illpatients:evaluation of the approaches used to developand validate quality attributesJ.Talanta,2020,210:120619.11MU F Y,ZHOU X G,FAN F,et al.A fluorescencebiosensor for therapeutic drug monitoring of vancomycinusing in vivo microdialysisJ.Analytica Chimica Acta,2021,1151:338250.12WANG G Q,ZHANG S R,CUI J Z,et al.Preparation ofnitrogen-doped carbon quantum dots from chelatingagent and used as fluorescent probes for accuratedetection of ClO and Cr()J.Analytica ChimicaActa,2022,1195:339478.13WANG J,ZHU Y X,XIE X F,et al.Effect of ultra-traceAg doping on the antibacterial performance of carbonquantum dotsJ.Journal of Environmental ChemicalEngineering,2022,10(2):107112.14XU J Y,WANG Y S,SUN L L,et al.Chitosan and-carrageenan-derived nitrogen and sulfur co-doped carbondots“on-off-on”fluorescent probe for sequentialdetection of Fe3+and ascorbic acidJ.InternationalJournal of Biological Macromolecules,2021,191:1512211227.BRECZKO J,GRZESKIEWICZ B,GRADZKA E,et al.Synthesis of polyaniline nanotubes decorated withgraphene quantum dots:structural&electrochemicalstudiesJ.Electrochimica Acta,2021,388:138614.16GANESAN S,KALIMUTHU R,KANAGARAJ T,et al.Microwave-assisted green synthesis of multi-functionalcarbon quantum dots as efficient fluorescence sensor forultra-trace level monitoring of ammonia inenvironmental waterJ.Environmental Research,2022,206:112589.17DU F F,LI G,GONG X J,et al.Facile,rapid synthesisof N,P-dual-doped carbon dots as a label-freemultifunctional nanosensor for Mn(VII)detection,temperature sensing and cellular imagingJ.Sensors andActuators B:Chemical,2018,277:492501.18JIANG H,ZHONG Y,TIAN K X,et al.Enhancedphotocatalytic degradation of bisphenol A over N,S-doped carbon quantum dot-modified MIL-101(Fe)heterostructure composites under visible light irradiationby persulfateJ.Applied Surface Science,2022,577:151902.19ZHAO X Y,WANG L M,LIU Q,et al.Facile synthesisof B,N-doped CQDs as versatile fluorescence probes forsensitive detection of cobalt ions in environmental waterand biological samplesJ.Microchemical Journal,2021,163:105888.20第 2 期朱彦西，等：抗生素亚胺培南探针分子设计及传感性能研究61